第五章 三相异步电动机

1、 由电动机驱动的优点：减轻繁重的体力劳动；由电动机驱动的优点：减轻繁重的体力劳动；提高生产率；可实现自动控制和远距离操纵。提高生产率；可实现自动控制和远距离操纵。 电动机的分类：电动机的分类：电动机电动机直流电动机交流电动机他励电动机并励电动机串励电动机复励电动机同步电动机异步电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机两相电动机交流电动机交流电动机异步电动机异步电动机三相电动机三相电动机电动机电动机工业生产中广泛应用着交流电动机，特别是三相工业生产中广泛应用着交流电动机，特别是三相异步电动机。它具有结构简单、易于控制、效率异步电动机。它具有结构简单、易于控制、效率高和功率大等许多优点。高和

2、功率大等许多优点。本章讨论的问题本章讨论的问题 ：(1)三相异步电动机的结构；(2)三相异步电动机的工作原理；(3)三相异步电动机的转速与转差率；(4)转矩和机械特性及其与转差率的关系；(5)电动机的起动、反转、调速及制动的基 本原理和方法；第一节第一节 三相异步电动机的结构及工作原理三相异步电动机的结构及工作原理一、三相异步电动机的结构一、三相异步电动机的结构 三相异步电动机按照转子的不同分为三相异步电动机按照转子的不同分为: : 笼型和笼型和 绕线型两种。绕线型两种。笼型异步电动机的组成笼型异步电动机的组成1、三相异步电动机定子的结构、三相异步电动机定子的结构三相异步电动机的定子包括：机座

3、、定子铁心和定三相异步电动机的定子包括：机座、定子铁心和定子绕组。子绕组。机座一般由铸钢制成，如图所示。机座一般由铸钢制成，如图所示。定子铁心由定子铁心由0.5mm厚，内圆厚，内圆冲有槽孔的环形冲有槽孔的环形硅钢片叠成，装硅钢片叠成，装于机座中。于机座中。异步电动机的机座和定子铁心异步电动机的机座和定子铁心 定子三相对称绕组的每一相都有两个出线头，它们的始末定子三相对称绕组的每一相都有两个出线头，它们的始末端分别标以端分别标以U1、U2，V1 、V2，W1 、W2，如下图所示。这些，如下图所示。这些出线头分别和机座外侧的接线盒内端子板上的同标记的六个端出线头分别和机座外侧的接线盒内端子板上的同

4、标记的六个端子相连接。子相连接。2、三相异步电动机转子的结构、三相异步电动机转子的结构三相异步电动机的转子包括：转轴、转子铁心和转子绕组。三相异步电动机的转子包括：转轴、转子铁心和转子绕组。转子铁心由转子铁心由0.5mm厚、外圆冲有槽孔的硅钢片叠成，压装在厚、外圆冲有槽孔的硅钢片叠成，压装在转轴上。转子铁心外圆均匀分布着轴向线槽，转子绕组就装在转轴上。转子铁心外圆均匀分布着轴向线槽，转子绕组就装在这些槽中。这些槽中。 三相异步电动机可根据转子绕组的形式分为：三相异步电动机可根据转子绕组的形式分为：笼型电动机、绕线型电动机。笼型电动机、绕线型电动机。绕线型异步电动机转子电路绕线型异步电动机转子电

5、路接线图接线图绕线型异步电动机的转子结构图绕线型异步电动机的转子结构图二、三相异步电动机工作原理二、三相异步电动机工作原理 为了说明三相异步电机的转动原理，我们为了说明三相异步电机的转动原理，我们 先做一个演示实验如图所示。先做一个演示实验如图所示。SN图图 旋转磁场带动鼠笼转子旋转磁极间放一个由铜条构成的鼠笼式转子，当磁极间放一个由铜条构成的鼠笼式转子，当我们摇动磁极时转子跟着转动。我们摇动磁极时转子跟着转动。异步电机转子转动原理与图相似可用下图异步电机转子转动原理与图相似可用下图所示加以说明所示加以说明NS-+FFnNS0n图图 转子转动原理0n图中，转子由两根铜条表示，当磁极旋转时，磁力

6、线切割铜图中，转子由两根铜条表示，当磁极旋转时，磁力线切割铜条，感应出电动势，应用右手定则可确定电动势的方向。条，感应出电动势，应用右手定则可确定电动势的方向。在电动势的作用下，闭合的铜条中就有电流，感生电流与旋在电动势的作用下，闭合的铜条中就有电流，感生电流与旋转磁场相互作用，而使转子铜条受到电磁力转磁场相互作用，而使转子铜条受到电磁力F ，电磁力产生，电磁力产生电磁转矩，电磁力的方向由左手定则确定，转子的方向将与电磁转矩，电磁力的方向由左手定则确定，转子的方向将与磁极旋转方向一致。磁极旋转方向一致。 一）、旋转磁场一）、旋转磁场1.旋转磁场是如何产生的旋转磁场是如何产生的把两极电动机定子的

7、三相对称绕组用下图所示的三个单匝把两极电动机定子的三相对称绕组用下图所示的三个单匝线圈表示。每个线圈嵌在定子铁心槽中的两个圈边，空间位线圈表示。每个线圈嵌在定子铁心槽中的两个圈边，空间位置相隔置相隔180。三个始端（或末端）所连圈边在空三个始端（或末端）所连圈边在空间位置上互差间位置上互差120 。三个线圈的始末端分别标记为三个线圈的始末端分别标记为U1、U2、V1 、V2、W1 、W2电流相序为：电流相序为：VWU设三相绕组接成星形，电流参考方向从始端设三相绕组接成星形，电流参考方向从始端U1、V1 、W1 进去，从末端进去，从末端U2、V2、W2流出。流出。n0=60f r/min (转每

8、分转每分)三相电流周期性地连续变化，产生的合成磁场的三相电流周期性地连续变化，产生的合成磁场的磁极将按顺时针方向连续旋转，形成一个具有一对磁极磁极将按顺时针方向连续旋转，形成一个具有一对磁极（磁极对数（磁极对数p= =1）的旋转磁场。）的旋转磁场。2.2.旋转磁场的转速旋转磁场的转速按一分钟相当于按一分钟相当于60f个周期计算，两极旋转磁场的转个周期计算，两极旋转磁场的转速速n0为：为：n0=60f2 (r/min)若定子三相对称绕组包含六组线圈，如图所示。当若定子三相对称绕组包含六组线圈，如图所示。当绕组按星形联结并从电源流入三相电流时，将产生四绕组按星形联结并从电源流入三相电流时，将产生四

9、极旋转磁场。分析可得：极旋转磁场。分析可得：按一定规律改变定子绕组的分布和连接按一定规律改变定子绕组的分布和连接, ,可得到极可得到极对数不同的旋转磁场，它的转速同极对数对数不同的旋转磁场，它的转速同极对数p的关系为：的关系为： n0=60f p (r/min)表明表明3.旋转磁场的转向旋转磁场的转向 旋转磁场的转向取决于定子绕组中电流的相序：旋转磁场的转向取决于定子绕组中电流的相序：从电流相序在前的绕组，转向电流相序在后的绕组。从电流相序在前的绕组，转向电流相序在后的绕组。二）、转子转动原理二）、转子转动原理T 电磁转矩电磁转矩n 转子的转速转子的转速n0旋转磁场的转速，异步电动机的同步转速

10、。旋转磁场的转速，异步电动机的同步转速。n总是低于总是低于n0，n和和n0始终相异，始终相异，故称为故称为异步电动异步电动机。机。转子的转动方向与旋转磁转子的转动方向与旋转磁场的转动方向相同。场的转动方向相同。00nnns转差率或滑差率转差率或滑差率：1000nns起动瞬间，起动瞬间，n=0，一般电动机正常运行中的一般电动机正常运行中的s约约在在0.020.08之间之间 电磁转矩电磁转矩 T 是三相异步电动机最重要的物理量之一，机械特性机械特性是电动机的主要特性。对电动机进行分析往往离不开这两方面内容。一、转矩公式一、转矩公式异步电动机的转矩是由旋转磁场每磁极的磁通 与转子电流I2相互作用产生

11、的。它应与电磁功率成正比，因而与转子的功率因数有关。于是2222coscosIKITT111111144. 444. 4UNfUNfE及及22222122022202)44. 4()(XRNfssXRsEI且且2202222)(cossXRR 转矩T也与s有关。22022212)(sXRUsRKT由上式可见，转矩还与定子的相电压U1的平方成正比。所以，电源电压的变动对转矩的影响很大。转矩特性T =T(s)曲线如图所示，当s很小时， T与s成正比；当s很大时，T与 s 成反比(以双曲线为渐近线)，并且有最大转矩Tmax存在。TssmTmax00nn01 在电源电压U1和转子电阻R2 一定的情况下

12、，转矩与转差率的关系曲线 T= f (s) 或转速与转矩的关系曲线 n = f (T)，称为电动机的机械特性曲线。转矩与转差率的关系曲线转矩与转差率的关系曲线T= f (s)如右侧上图所示，转速与转矩的关系曲线转速与转矩的关系曲线 n = f (T)如右侧下图所示。TssmTmax00nn01TbTmax0nn0TNTstnNa实际上，下图是通过上图右旋90得到的。 研究机械特性是分析为了分析电动机的运行性能。在机械特性曲线上，要讨论三个转矩。1. 额定转矩 TNTbTmax0nn0TNTstnNa在电动机匀速转动时，其转矩T必须与阻力转矩TC 平衡，而阻力转矩包括负载转矩T2和空载损耗转矩T

13、0。一般T0很小，常可忽略，所以60/22202nPTTTTP2是电动机的输出功率 (单位 W )， T 的单位是(Nm)。n 的单位是 (r / min)。若功率单位用千瓦，则nPT29550 额定转矩额定转矩是电动机在额定负载时的转矩。可从电动机铭牌上额定功率和额定转速等数据求得。如某台电动机，P 2N =7.5kW，额定转速nN =1440 r / min，则额定转矩为14405 . 7955095502NNNnPTmN7 .49正常情况下，电动机都工作在特性曲线的 ab 段，当负载转矩增加时，电动机转速要降低，但对应的电磁转矩却要增加，因为 ab 段比较平坦，所以电动机的转速变化不大。

14、这种特征称为硬的机械特性硬的机械特性。TbTmax0nn0TstaTNnN 在机械特性曲线的最大值，称为最大转矩最大转矩或临界转矩。Tb0nn0TstaTNnNTmax此时对应的转差率为 s m (可由dT/ds = 0 求得) ， 即令0)(22022212sXRUKsRdsddsdT可得202XRsm进而可得2021max2XUKT可见，Tmax U12,且与转子电阻R2 无关，而 R2 越大 sm也越大。当负载转矩超过最大转矩时，电动机转速急剧下降，电动机将停止转动产生闷车现象。电动机一旦闷车闷车，电流立即上升上升67倍倍，电动机严重过热！以至烧坏。从另一方面考虑，若在很短时间内过载，在

15、电动机尚未过热就恢复达到正常状态，未损坏电动机是允许的。因此，最大转矩也表示电动机具有短时间的过载能力。定义最大转矩与额定转矩的比值为过载系数过载系数，即NTTmax一般电动机的过载系数为1.82.2。 电动机刚起动 (n =0) 时的转矩称为起动转矩起动转矩22022212XRURKTst 可见，起动转矩与 U12 及 R2有关，当电源电压降低时起动转矩会减小；当适当增加转子绕组的电阻会使起动转矩有所增加。可有上式证明当R2 = X20时， Tst = Tmax ，及sm =1。T0nU1U1U1 U1U1对转矩的影响对转矩的影响T0nTmaxR2R2R2 R2R2对转矩的影响对转矩的影响一

16、、笼型异步电动机的起动一、笼型异步电动机的起动 一般情况下一般情况下，一二十千瓦以下的小型异步电动，一二十千瓦以下的小型异步电动机，在其容量小于动力供电变压器容量的机，在其容量小于动力供电变压器容量的20%时，可时，可允许直接起动。否则，就要在起动时采取降压措施，允许直接起动。否则，就要在起动时采取降压措施，减小起动电流。减小起动电流。Q2 先置于中间位置，接通电源开先置于中间位置，接通电源开关关Q1 ，再把，再把Q2 合向合向“起动起动”位位置，等电动机转速升高后，把置，等电动机转速升高后，把Q2切换到切换到“运转运转”位置进入正常运位置进入正常运行。行。操作顺序是：操作顺序是：相电压降低为

17、相电压降低为31线电流和起动转矩降低为线电流和起动转矩降低为311. 星形星形三角形换接起动三角形换接起动同接成三角形进行直接起动相比：同接成三角形进行直接起动相比：起动补偿器由三相自耦变压器和切换开关组成。起动补偿器由三相自耦变压器和切换开关组成。2. 用起动补偿器起动用起动补偿器起动笼型电动机用起动补偿起动的接线原理图笼型电动机用起动补偿起动的接线原理图先合上先合上Q1 ，在合上，在合上 Q3 的同的同时把时把Q2 合向合向“起动起动”位置。位置。等电动机转速升高后切断等电动机转速升高后切断Q3 ,同时将同时将Q2 合向合向“运转运转”位置，位置，使自耦变压器同供电线路脱使自耦变压器同供电

18、线路脱离，电动机进入正常运行。离，电动机进入正常运行。操作顺序是：操作顺序是：起动时起动时起动前起动前将将Q2 、Q3 断开。断开。将电动机与电源相连将电动机与电源相连的三根导线中的任意的三根导线中的任意两根对调就可以使旋两根对调就可以使旋转磁场反转，从而使转磁场反转，从而使转子反转。转子反转。二、笼型三相异步电动机的反转二、笼型三相异步电动机的反转三、笼型异步电动机的调速三、笼型异步电动机的调速pfnn600异步电动机的转速异步电动机的转速笼型异步电动机的调速方法：笼型异步电动机的调速方法：调速调速 根据所带工作机械的需要，通过改变电动机的根据所带工作机械的需要，通过改变电动机的外部电源条件

19、或内部绕组连接以得到不同的人工机械外部电源条件或内部绕组连接以得到不同的人工机械特性，从而改变电动机和工作机械的转速。特性，从而改变电动机和工作机械的转速。1.改变磁极对数调速改变磁极对数调速2.变频调速变频调速改变笼型异步电动机定子绕组的接线方式可以改变旋转磁场改变笼型异步电动机定子绕组的接线方式可以改变旋转磁场的极对数，因为极对数是成倍的变化，所只能是有级调速。的极对数，因为极对数是成倍的变化，所只能是有级调速。1. 改变磁极对数调速改变磁极对数调速下图为极数比为下图为极数比为2:4双速电动机的双速电动机的U相绕组改变接线方相绕组改变接线方式的情况。式的情况。2. 变频调速变频调速实现无级

20、变频调速需要有频率连续可调实现无级变频调速需要有频率连续可调的变频设备，如图所示。的变频设备，如图所示。整流器整流器 将将50Hz交流电整流成直流电。交流电整流成直流电。逆变器逆变器将直流电变成频率将直流电变成频率（f）和电压和电压（U1）可调的三相可调的三相 交流电，向电动机供电。交流电，向电动机供电。此外还有此外还有 将将50Hz交流电直接变成频率（交流电直接变成频率（f）可调但低于工频）可调但低于工频的三相交流电的交交型变频器，如图（的三相交流电的交交型变频器，如图（c）所示。）所示。 由上式可知，在逆变器供电频率由上式可知，在逆变器供电频率（f）从电动机从电动机额定频率额定频率fN向下

21、改变时，必须相应降低供电电压有向下改变时，必须相应降低供电电压有效值效值U1 ，以保持电动机磁通量，以保持电动机磁通量基本基本不变。否则电不变。否则电动机铁心过于饱和，励磁电流和铁损耗大增，而这动机铁心过于饱和，励磁电流和铁损耗大增，而这是不允许的。是不允许的。111144. 4kfNEU 如图所示，通过控制电路保持如图所示，通过控制电路保持 常数，从而保持常数，从而保持不不变条件下，变条件下，f下降后，下降后，n0 下降，但最大转矩下降，但最大转矩Tm 不变。不变。fE1 对应不同负载转矩的对应不同负载转矩的转速下降值相同，即变频后转速下降值相同，即变频后的人工机械特性和自然机械的人工机械特

22、性和自然机械特性平行的。因此低速下仍特性平行的。因此低速下仍可输出额定转矩可输出额定转矩TN ，实现，实现恒转矩调速，调速范围可达恒转矩调速，调速范围可达10: :1以上。以上。 变频器供电频率变频器供电频率f也可从也可从fN 向上改变，但供电电压向上改变，但供电电压U1只能保只能保持在持在U1N ，不允许随着升高。，不允许随着升高。因此，因此，f上升时，上升时， 和和Tm 要降低，额定电流要降低，额定电流I1N 下的下的T将将小于小于TN ，但输出机械功率因输入电功率允许达到但输出机械功率因输入电功率允许达到P1N也可以达到也可以达到P2=PN ，实现恒功率调速。实现恒功率调速。 因为电动机

23、的转动部分有惯性，所以把电源切因为电动机的转动部分有惯性，所以把电源切断后，电动机还会继续转动一定时间后停止。断后，电动机还会继续转动一定时间后停止。为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，为了缩短辅助工时，提高生产机械的生产率，并为了安全起见，往往要求电动机能够迅速停并为了安全起见，往往要求电动机能够迅速停车和反转。这就需要对电动机制动。对电动机车和反转。这就需要对电动机制动。对电动机制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向制动，也就是要求它的转矩与转子的转动方向相反。这时的转矩称为制动转矩。相反。这时的转矩称为制动转矩。一、铭牌一、铭牌第四节第四节三相异步电动机的铭牌和技术数据三相异步电动

24、机的铭牌和技术数据国家标准规定国家标准规定，电机产品型号用汉语拼音大写，电机产品型号用汉语拼音大写字母及国际通用符号和阿拉伯数字组成。按字母及国际通用符号和阿拉伯数字组成。按顺序包括产品名称代号、规格代号等。顺序包括产品名称代号、规格代号等。1.型号型号 为了适应不同用途和不同工作环境的需要，电动机制成不同的系列，每种系列用各种型号表示。产品名称产品名称新代号新代号新代号新代号的汉字的汉字意义意义老代号老代号异步电动机异步电动机Y异异J、JS、JO绕线型异步电动机绕线型异步电动机YR异绕异绕JR、JRO隔爆型异步电动机隔爆型异步电动机YB异爆异爆JB、JBS起重冶金用异步电动机起重冶金用异步电

25、动机YZ异重异重JZ起重冶金用绕线型异步起重冶金用绕线型异步电动机电动机YZR异重绕异重绕JZR高起动转矩异步电动机高起动转矩异步电动机YQ异起异起JQ、JGQ异步电动机产品名称代号异步电动机产品名称代号2.额定电压额定电压U1N电动机在额定运行时的定子绕组线电压，它同定子绕组电动机在额定运行时的定子绕组线电压，它同定子绕组“接法接法”有对应关系。有对应关系。Y系列电动机，系列电动机，UIN均为均为380V，容量在，容量在3.0kW以下的接成以下的接成星形，星形，4.0kW以上的接成三角形。以上的接成三角形。3.额定电流额定电流I1N 电动机在额定电压下满载运行时的定子绕组线电流。电动机在额定

26、电压下满载运行时的定子绕组线电流。4.额定功率额定功率PN 电动机在额定电压下，电流达到额定值时，轴上输出的电动机在额定电压下，电流达到额定值时，轴上输出的机械功率。机械功率。5.额定频率额定频率fN电动机额定运行时的频率，应同电源频率一致。我国工电动机额定运行时的频率，应同电源频率一致。我国工频为频为50Hz 。6.额定转速额定转速nN 电动机额定运行时的转速。电动机额定运行时的转速。7.绝缘等级绝缘等级 铭牌上所标的绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料铭牌上所标的绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时所允许的极限温度来分级的。在使用时所允许的极限温度来分级的。8.工作制工作制 又称为

27、定额。按规定分为：连续、短时、断续等。又称为定额。按规定分为：连续、短时、断续等。电动电动机型机型号号额定额定功率功率 /kW额定额定电压电压 /V 满载时满载时速度速度 电流电流 效率效率 功功率率/(r/min) (A) () 因数因数起动电流起动电流额定电流额定电流起动转矩起动转矩额定转矩额定转矩最大转矩最大转矩额定转矩额定转矩重重量量/kgY250M-4 553801480 102.5 92.6% 0.88 7.0 2.0 2.2450异步电动机技术数据举例异步电动机技术数据举例二、技术数据二、技术数据“满载时的效率满载时的效率”指电动机的额定输出机械指电动机的额定输出机械功率功率PN

28、对定子额定输入电功率对定子额定输入电功率P1N的比值的比值,用用N表示。表示。%100N1NNPPN1NN1N1cos3IUP是是“满载时的满载时的(定子电路定子电路)功率因数功率因数”Ncos“额定转矩额定转矩”是电动机在额定运行时轴上的输是电动机在额定运行时轴上的输出转矩。出转矩。轴上机械功率轴上机械功率P等于转矩等于转矩T和角速度和角速度的乘积，的乘积，故：故：)(mN55. 9602米顿牛nPnPPT “额定转矩为额定转矩为”：mN9550NNNnPT 式中式中PN以以kW 为单位为单位 。 Y160L-4 15 30.3 1460 88.5 0.85 2.2 7.0 2.2Y180L

29、-4 22 42.5 1470 91.5 0.86 2.0 7.0 2.2Y132M-4 7.5 15.4 1440 87 0.85 2.2 7.0 2.2Y112M-4 4 8.8 1440 84.5 0.82 2.2 7.0 2.2Y100L1-4 2.2 5.0 1420 81 0.82 2.2 7.0 2.2Y90S-4 1.1 2.7 1400 78 0.78 2.2 6.5 2.2Y801-4 0.55 1.5 1390 73 0.76 2.2 6.5 2.2 （二）四级：同步转速（二）四级：同步转速1500r/min（全部型号）（全部型号）Y160M2-2 15 29.4 293

30、0 88.2 0.88 0.2 7.0 2.2 Y112M-2 4 8.2 2890 85.5 0.87 2.2 7.0 2.2（一）二级：同步转速（一）二级：同步转速3000r/min（部分型号）（部分型号）型号型号 额定额定 满载时满载时 起动转矩起动转矩 起动电起动电流流 最大转矩最大转矩 功率功率 电流电流 转速转速 效率效率 功率因数功率因数 额定转矩额定转矩 额定电流额定电流 额额定转矩定转矩 /kW /A /(r/min) Y系列三相异步电动机（部分型号）技术数据系列三相异步电动机（部分型号）技术数据 )(cos型号型号 额定额定 满载时满载时 起动转矩起动转矩 起动电起动电流流

31、 最大转矩最大转矩 功率功率 电流电流 转速转速 效率效率 功率因数功率因数 额定转矩额定转矩 额定电流额定电流 额定转矩额定转矩 /kW /A /(r/min )Y225S-4 37 69.8 1480 91.8 0.87 1.9 7.0 2.2Y250M-4 55 102.5 1480 92.6 0.88 2.0 7.0 2.2Y280M-4 90 164. 3 1480 93.6 0.89 1.9 7.0 2.2（三）六级：同步转速六级：同步转速1000r/min（部分型号）（部分型号）Y160M-6 7.5 17.0 970 86 0.78 2.0 6.5 2.0 Y225M-6 30

32、 59.5 980 90.2 0.85 1.7 6.5 2.0（四）八级：同步转速八级：同步转速750r/min（部分型号）（部分型号）Y225M-8 22 47.6 730 90 0.78 1.8 6.0 2.0Y315M2-8 90 180.3 740 92.5 0.82 1.6 6.5 2.0 Y系列三相异步电动机（部分型号）技术数据系列三相异步电动机（部分型号）技术数据)(cosV1 V2 的电路中串有的电路中串有电容器电容器C ，使该绕，使该绕组中的电流组中的电流 i2 在相在相位上近似超前位上近似超前U1 U2 绕组中的电流绕组中的电流 i1 90。定子上有两个绕组定子上有两个绕组U1 U2 、V1 V2 ，在空间上相隔，在空间上相隔90，并联于单相交流电源上。，并联于单相交流电源上。一、电容分相式异步电动机一、电容分相式异步电动机 绕组绕组V1